铁磁/非磁金属异质结中自旋流的产生、调控及器件应用

This project will systematically study the generation, control and device application of spin current in ferromagnet (FM)/nonmagnetic metal (NM) hybrid structures. Starting from the novel materials and mechanism in a series of physical phenomena (e.g. spin Hall effect and spin pumping) which can generate spin current, we intend to explore new ways to improve the generating efficiency of spin current and design novel spin current devices. First of all, we will systematically study the scaling relationship of the spin Hall effect in NMs and spin-orbit torque effect, in order to further find out the mechanism of the effect of spin orbit coupling on the spin-Hall effect and spin current. Secondly, the physical mechanism of the spin mixing conductance of the FM/NM interface will be studied. Thirdly, we will try to understand the physics of the control of polarization field on the spin-orbit coupling in the interface between multiferroic material and nonmagnetic metal. Fourthly, we will also clearly understand the relationship between spin Hall magnetoresistance and the magnetoresistance induced by magnetic proximity effect. At last, 1~2 kinds of novel devices with high spin current generation will be fabricated. The accomplishment of this project shall supply important reference to achieve future spintronic devices with ultra-low energy consumption.

本项目将围绕铁磁/非磁金属异质结中自旋流的产生和调控开展系统的研究。以自旋霍尔、自旋泵浦等能产生自旋流的一系列物理效应中的新材料和新机制为出发点，探索提高自旋流产生效率的新途径，构筑新型自旋流器件。具体包括以下几方面的工作：其一、系统研究非磁金属中自旋霍尔效应的标度关系，结合自旋轨道矩效应的研究，揭示自旋轨道耦合对自旋霍尔效应及自旋流产生的调控机制；其二、研究磁性/非磁金属界面自旋混合传导率的物理机制；其三、深入理解极化场调节多铁/重金属界面自旋轨道耦合作用的物理机制；其四、理清异质结中磁近邻导致的磁电阻效应和自旋霍尔磁电阻效应之间的关系；其五、实验构筑出1-2种可高效产生自旋流的异质结器件。该项目的实施将为实现未来超低能耗自旋电子学器件奠定科学基础。

自旋电子学的主要目标是通过调控材料中的自旋，实现信息的处理、存储和传输。本项目围绕铁磁/非磁金属异质结中自旋流的产生和调控开展了系统的研究，旨在探索提高自旋流产生效率的新途径，为未来超低能耗自旋电子器件的开发应用奠定基础。项目研究取得的主要进展包括：1）材料方面，制备出了亚铁磁Mn2.21Ru0.86Ga、垂直磁各向异性Tm3Fe5O12、稀土镍基钙钛矿氧化物、自组装超大四方性钛酸铅、非共线磁结构CoFe2O4、狄拉克半金属SrIrO3、强磁各向异性PtMnGa等新型薄膜材料，并发现了若干个新奇的物理特性，例如亚铁磁薄膜在磁补偿温度附近的非传统磁电阻行为、Tm3Fe5O12/Pt异质结中各向异性磁电阻效应的低温量子修正、外尔半金属WTe2中的Edelstein效应、Cr2O3/Ta异质结在低温下的负自旋霍尔磁电阻效应、Pt/PtMnGa双层膜中界面诱导电-磁手性各向异性（EMCA）和非互易电输运行为等；2）调控机制方面，利用WTe2/石墨烯范德华异质结，实验证明了WTe2可高效产生并调控自旋流；发现极化电场可以诱导多铁/铁磁异质结界面处轨道杂化和电子态的改变，影响铁磁薄膜的磁各向异性，进而调控自旋轨道矩（SOT）效应；利用梯形非均匀微磁结构实现了零场下的SOT诱导铁磁性隧道结的磁化翻转；发现在PMN-PT上生长的铁磁/重金属异质结中SOT效应可以通过横向电场进行有效调控；初步阐明了Ru/Fe的界面自旋轨道耦合、Pt/YIG界面的非平衡磁近邻效应、L10-FePt薄膜的无序度、界面自旋混合电导等因素对SOT效应的影响机制；3）原型器件方面，以SOT效应为设计基础，实验构筑出了多种基于多铁性薄膜、可电场调控的自旋逻辑器件；在PMN-PT（110）衬底上实验构筑了一系列存算一体器件，该器件性能可通过所施加的横向电场进行调控；基于人工反铁磁结构，实验构筑出了可在一个单元里实现的可编程、多阻态的存算一体器件，通过改变外加磁场和初始电流，可实现5种布尔逻辑命令，即NOR、OR、AND、NAND和NOT。